JP2004202786A - 押出機および押出し成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】押出物の寸法を高精度とすることができる押出機と押出し成形方法を提供することにある。
【解決手段】押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法を計測する寸法計測手段と、前記計測された前記所定部位の寸法と前記所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように制御量を演算する制御手段と、前記制御量を入力し前記所定部位に対応する前記押出機ヘッドの部位の温度を操作する温度操作手段とを具備し前記押出物の寸法誤差を補正するようにした押出機。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加熱溶融させた原材料を押出機ヘッド（押出金型）で成形する押出機の技術分野に属する。特に、押出機ヘッドの熱膨張や温度分布に起因する押出物の形状誤差を補正する機能を有する押出機に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来は、溶融した原材料を押出機ヘッド（押出金型）で成形する押出工程においては、押出物における相当量の形状誤差を認めた上で生産することが行なわれている（図４参照）。そして、その工程に続く研磨工程において、その押出物を研磨して形状誤差を許容範囲に収めて製品に仕上げることが行なわれている（図５参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術で、円筒形状の押出物を生産する場合には下記（１）と（２）に示す問題点がある。
問題点
（１）押出物の真円度が良くない。高精度の製品に仕上げるために行なう研磨加工の負荷が大きい。
（２）材料ロスが多い。高精度の製品に仕上げるためには研磨により失われる量の余分な材料を必用とする。
【０００４】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、押出物の寸法を高精度とすることができる押出機と押出し成形方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は下記の本発明によって解決される。すなわち、
本発明の請求項１に係る押出機は、押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法を計測する寸法計測手段と、前記計測された前記所定部位の寸法と前記所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように制御量を演算する制御手段と、前記制御量を入力し前記所定部位に対応する前記押出機ヘッドの部位の温度を操作する温度操作手段とを具備し前記押出物の寸法誤差を補正するようにしたものである。
【０００６】
本発明によれば、寸法計測手段により押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法が計測され、制御手段により計測された所定部位の寸法と所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように制御量が演算され、温度操作手段により制御量が入力され所定部位に対応する押出機ヘッドの部位の温度が操作される。したがって、押出物の寸法を高精度とすることができる押出機が提供される。
【０００７】
また本発明の請求項２に係る押出機は、請求項１に係る押出機において、押出機ヘッドは円筒形状の押出物を押出す押出機ヘッドであるようにしたものである。本発明によれば、押出機ヘッドから円筒形状の押出物が押出される。
【０００８】
また本発明の請求項３に係る押出機は、請求項１または２に係る押出機において、前記寸法計測手段は前記押出物の周囲に配置された複数の変位センサから成るようにしたものである。本発明によれば、押出物の周囲に配置された複数の変位センサによって押出物における所定部位の寸法が計測される。
【０００９】
また本発明の請求項４に係る押出機は、請求項１〜３のいずれかに係る押出機において、前記温度操作手段は前記押出機ヘッドの周囲に配置された複数のヒータと、その複数のヒータによって加熱が行なわれる前記押出機ヘッドの部位における温度を計測する複数の温度センサと、前記制御量に基づく設定温度と前記押出機ヘッドの部位における温度との誤差を小さくするように前記複数のヒータへの電力供給を調節する温度調節器から成るようにしたものである。本発明によれば、温度操作手段により押出機ヘッドの周囲における温度分布が操作され、押出機ヘッドの熱膨張にしたがって押出物の寸法分布が高精度となる。
【００１０】
また本発明の請求項５に係る押出機は、請求項１〜４のいずれかに係る押出機において、前記押出物は加熱溶融させた脆性材料を押出機ヘッドから押出した押出物であるようにしたものである。本発明によれば、加熱溶融させた脆性材料の押出物の寸法が高精度となる。
【００１１】
また本発明の請求項６に係る押出し成形方法、押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法を計測しする寸法計測過程と、前記計測された前記所定部位の寸法と前記所定部位の目標寸法との誤差を小さくする設定温度を演算する演算過程と、前記所定部位に対応する前記押出機ヘッドの部位の温度を前記設定温度に操作する温度操作過程とを有し前記押出物の寸法誤差を補正するようにしたものである。
【００１２】
本発明によれば、寸法計測過程において押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法が計測され、演算過程において計測された所定部位の寸法と所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように設定温度が演算され、温度操作過程において押出機ヘッドの所定部位に対応する押出機ヘッドの部位の温度が設定温度となるように操作される。したがって、押出物の寸法を高精度とすることができる押出し成形方法が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明について実施の形態を説明する。本発明の押出機における構成の一例を図１に示す。また、本発明の押出機における押出機ヘッドの構成の一例を図２に示す。図１、図２において、１は供給タンク、２は押出機ヘッド、３は変位センサ、４はコントローラ、５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・は赤外線ヒータ、６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・は放射温度センサ、２１は押出金型である。
供給タンク１は押出物１００の材料を貯蔵する押出機の部分である。特に、供給タンク１は加熱溶融させた脆性材料、たとえばガラスを貯蔵し、その材料を押出機ヘッド２に供給する。
【００１４】
押出機ヘッド２は、供給タンク１に貯蔵されている押出物１００の材料を押し出す押出機の部分である。図２に示すように、押出機ヘッド２の主要な構成要素として押出金型２１が存在する。その押出金型２１における経路を材料が通過し出口から押し出されるときに、その材料は出口の形状に成形され押出物１００が得られる。図１、図２に示す一例においては、押出金型２１における出口の形状は、内側と外側の２つの円から成る形状である。したがって、押出機ヘッド２は、円筒形状の押出物１００を押出す。
本発明においては、押出機ヘッド２の構成要素として、その他に、赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・、放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・、等が存在するが、それらについては後述する。
【００１５】
変位センサ３は、押出機ヘッド２から押出された押出物１００における所定部位の寸法を計測する寸法計測手段の一例である。変位センサ３はレーザー光線を物体面に投光したときの光スポットの位置をポジションセンサで検出し物体面までの距離を計測するセンサである。すなわち変位センサ３は三角測量の原理を応用したセンサであり、押出物１００の表面までの距離を計測するセンサである。図１においては変位センサ３を１つだけ示してある。円筒形状の押出物１００の真円度を計測するためには、実際には、押出物１００を取り囲むように複数の変位センサを配置して計測する必要性がある。
【００１６】
図３（Ａ）は、円筒形状の押出物１００の軸方向に向けて複数個の変位センサを配置し、その複数個の変位センサによって異なる方向から押出物１００の表面までの距離を計測する方法の説明図である。図３（Ｂ）には、その方法で計測して得た離散的な複数個の距離に補完法等を適用し連続的な形状プロファイルとしてグラフ化した図の一例が示されている。図３（Ｂ）に示す形状プロファイルは円筒形状の軸に直交する平面で押出物１００を切断したときの断面における外周形状における凸凹を拡大して（誇張して）示したものである。
なお、このような外周形状は、より少ない個数または１個の変位センサ３を使用し、それらを軸廻りに回転する機構を設けて回転させながら計測することも可能である。
【００１７】
コントローラ４は、計測された所定部位の寸法と所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように制御量を演算する制御手段の一例である。コントローラ４としては、アナログ式コントローラ、デジタル式のプログラマブルシーケンスコントローラやマイクロコンピュータ、等を使用することができる。コントローラ４は、変位センサ３により計測された距離と目標距離との誤差ｅを所定の制御演算式に代入して制御量を演算する。所定の演算式としては、ＰＩＤ制御における比例（Ｐ）動作を行なう演算式、または積分動作（Ｉ）、微分動作（Ｄ）を比例（Ｐ）動作に組合せた演算式、等が適用される。制御量としては温度調節器における設定温度そのもの、または温度調節器の設定温度をリモート制御する入力に合致する量である。
【００１８】
コントローラ４が出力する制御量は、押出機ヘッド２の押出金型２１における温度を調節するための温度調節器（図示せず）によって入力される。押出機ヘッド２は、図２に示すように、構成要素として赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・と放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・を有する。赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・は温度調節器によって供給される電力によって発熱量が調節される。放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・は、押出金型が放射する電磁波を検出し温度に換算することができる電気量を出力するセンサである。放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・の出力は温度調節器が入力し、温度調節器が温度に換算する。これら温度調節器、赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・、放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・等から成る系は、制御量を入力し所定部位に対応する押出機ヘッドの部位の温度を操作する温度操作手段の一例である。
【００１９】
押出機ヘッド２は、図２に示すように、円柱形状の押出金型２１を取り囲むほぼ同軸の円筒形状の筐体を有する。円筒形状の筐体と円柱形状の押出金型２１との間には空間が存在する。赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・は、その円筒形状の筐体の内面によって支持されており、円柱形状の押出金型２１の周囲を取り囲むように配置されている。赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・の各々が放出する赤外線の強度を個別に調節することで、各々からの赤外線を受けて加熱する押出金型２１の部位における温度を個別に調節することができる。
【００２０】
同様に、放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・は、その円筒形状の筐体の内面によって支持されており、円柱形状の押出金型２１の周囲を取り囲むように配置されている。放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・の各々は、赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・の各々に対応している。すなわち、放射温度センサ６ａは赤外線ヒータ５ａによって加熱される押出金型２１の部位の温度を計測し、放射温度センサ６ｂは赤外線ヒータ５ｂによって加熱される押出金型２１の部位の温度を計測し、・・・という具合である。
【００２１】
温度調節器は、その対応に合わせて、赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・の各々によって加熱される押出金型２１の各々の部位に対応する設定温度を入力する。そして、温度調節器は、放射温度センサ６ａが出力する電気量に基づいて赤外線ヒータ５ａに供給する電力を調節し、放射温度センサ６ｂが出力する電気量に基づいて赤外線ヒータ５ｂに供給する電力を調節し、・・・という具合に各々の設定温度となるように温度調節を行なう。
【００２２】
上述の構成において、次に、本発明の押出機における動作について説明する。まずステップＳ１として、押出機の供給タンク１に押出物の材料、たとえば脆性材料を貯蔵する。 次に、手動モードで押出機の押出機ヘッド２を所定の初期温度条件とする。
次にステップＳ２として、供給タンク１から押出機ヘッド２に材料を供給し、押出金型２１によって成形を行ない押出物１００の生産を開始する。
次にステップＳ３として、手動モードから自動モードに切り替え、コントローラ４等から成る制御系の動作を有効とする。
【００２３】
次にステップＳ４として、押出機ヘッド２から押し出された直後の押出物１００の周囲に配置された複数の変位センサ３の各々は、押出物１００における複数の所定個所の各々における寸法を計測する。
【００２４】
次にステップＳ５として、コントローラ４は、複数の所定個所の各々における寸法を入力し、それらの寸法の目標寸法との誤差ｅを演算する。目標寸法は複数の所定個所の各々に対応する目標寸法であり１つとは限らない。目標寸法は予め登録されている目標寸法とすることができる。また一例に示すように押出物１００が円筒形状であって、かつ絶対的な寸法よりも真円度が重用であるときには、複数の所定個所の各々における平均値を目標寸法としてもよい。
【００２５】
次にステップＳ６として、コントローラ４は、それら複数の誤差ｅの各々を制御演算式に代入して、制御量を演算する。温度操作手段の入力仕様に応じて、必要ならば、制御量を設定温度に変換する。この変換には、たとえば、ルックアップテーブルが参照される。
【００２６】
次にステップＳ７として、温度操作手段は、その制御量または設定温度を入力して、赤外線ヒータ５ａによって加熱される押出金型２１の複数の部位における各々の温度（目標温度）として設定する。
次にステップＳ８として、温度操作手段は、放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・が出力する温度（検出温度）、すなわち加熱される押出金型２１の複数の部位における各々の温度を入力する。
【００２７】
次にステップＳ９として、温度操作手段は、放射温度センサ６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・が出力する温度と、それらに対応する各々の設定温度とを個別に比較し偏差を演算する。
次にステップＳ１０として、温度操作手段は、それらの偏差の各々が小さくなるように赤外線ヒータ５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・の各々に供給する電力を調節する。
【００２８】
以下、自動モードの間は、上述のステップＳ４〜ステップＳ１０が繰り返される。自動モードから手動モードに切り替わると、コントローラ４等から成る制御系の動作が無効となる。ただし、手動モードにおいても、温度操作手段はその直前の設定温度を記憶しその設定温度における温度調節を維持する。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおりであるから、本発明の請求項１に係る押出機によれば、押出物の寸法を高精度とすることができる押出機が提供される。
また本発明の請求項２に係る押出機によれば、押出機ヘッドから円筒形状の押出物が押出される。
また本発明の請求項３に係る押出機によれば、押出物の周囲に配置された複数の変位センサによって押出物における所定部位の寸法が計測される。
また本発明の請求項４に係る押出機によれば、押出物の寸法分布を高精度とすることができる。
また本発明の請求項５に係る押出機によれば、加熱溶融させた脆性材料の押出物の寸法を高精度とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押出機における構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の押出機における押出機ヘッドの構成の一例を示す図である。
【図３】複数個の変位センサによって異なる方向から押出物の表面までの距離を計測する方法の説明図である（Ａ）。および、その方法で計測して得た形状プロファイルを示す図である（Ｂ）。
【図４】温度ムラにより押出金型の膨張ムラが起き、押出物に形状誤差が生じることの説明図である。
【図５】押出工程と研磨工程とから成る従来の工程の説明図である。
【符号の説明】
１ 供給タンク
２ 押出機ヘッド
３ 変位センサ
４ コントローラ
５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・ 赤外線ヒータ
６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・ 放射温度センサ
２１ 押出金型

Claims (6)

1. 押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法を計測する寸法計測手段と、前記計測された前記所定部位の寸法と前記所定部位の目標寸法との誤差を小さくするように制御量を演算する制御手段と、前記制御量を入力し前記所定部位に対応する前記押出機ヘッドの部位の温度を操作する温度操作手段とを具備し前記押出物の寸法誤差を補正することを特徴とする押出機。
2. 請求項１記載の押出機において、前記押出機ヘッドは円筒形状の押出物を押出す押出機ヘッドであることを特徴とする押出機。
3. 請求項１または２記載の押出機において、前記寸法計測手段は前記押出物の周囲に配置された複数の変位センサから成ることを特徴とする押出機。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の押出機において、前記温度操作手段は前記押出機ヘッドの周囲に配置された複数のヒータと、その複数のヒータによって加熱が行なわれる前記押出機ヘッドの部位における温度を計測する複数の温度センサと、前記制御量に基づく設定温度と前記押出機ヘッドの部位における温度との誤差を小さくするように前記複数のヒータへの電力供給を調節する温度調節器から成ることを特徴とする押出機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の押出機において、前記押出物は加熱溶融させた脆性材料を押出機ヘッドから押出した押出物であることを特徴とする押出機。
6. 押出機ヘッドから押出された押出物における所定部位の寸法を計測しする寸法計測過程と、前記計測された前記所定部位の寸法と前記所定部位の目標寸法との誤差を小さくする設定温度を演算する演算過程と、前記所定部位に対応する前記押出機ヘッドの部位の温度を前記設定温度に操作する温度操作過程とを有し前記押出物の寸法誤差を補正することを特徴とする押出し成形方法。

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